7.5 Quantenmechanische Behandlung, LANDAUniveaus

Wir betrachten die Eindeutigkeit der Wellenfunktion beim Umlauf. Das B-Feld sei gegeben durch B = (0,0,B) und die Bewegung in x-Richtung sei an die Bewegung in y-Richtung gekoppelt. Wir wissen aus der theoretischen Physik, daß kx und ky keine guten Quantenzahlen sind. Die Schrödingergleichung für ein freies Elektron im Magnetfeld lautet dann:

 1 (         )2
2m- - ih \~/  + eA  y = Ey mit B = rotA wobei A = (0,Bx, 0)

@2y   @2y   ( @   ieBx )2    2mE
@x2-+ @z2-+   @y +--h--  y + -h2--y = 0

Wir machen einen Ansatz nach LANDAU: y = f(x)exp[i(kyy + kzz)] und führen folgende Koordinatentransformation durch:

  '      h2k2z  '      hky      eB-
E  = E -  2m  ; x = x + eB ; wC = m

Daraus ergibt sich dann eine Gleichung für f:

|-2-------[------------]------|
|@-f-+ 2m-  E'- 1mw2 x'2 f = 0|
-@x'2---h-------2---e---------|

Hierbei handelt es sich um die Differentialgleichung eines linearen Oszillators mit der Eigenfrequenz wC. Das Zentrum liegt bei x0 = hkeyB- und die Eigenwerte sind gegeben durch:

|---(-----)--------------------|
|        1        h2k2z-         |
E =   l+ 2  hwC + 2m  mit l  (-  N|
--------------------------------

Die Subbänder heißen LANDAUniveaus.

PIC

Die Bahnen sind anschaulich Kreisbahnen im Ortsraum:

x = x0 + rsin(wCt), y = y0 + r cos(wCt)

Die Energie beträgt

         (     )
1             1
2mwCrl =   l+ 2  hwC

und damit ergibt sich die eingeschlossene Fläche

Al = pr2 = (2l+ 1)2ph- oc  1
      l          eB    B

Im k-Raum liegen auch Kreisbahnen vor:

 2    2   2  (m  )2( 2   2)  (    1) 2mwC
kl = kx + ky = h-   ˙x-+ ˙y--=   l+ 2  --h--
                     w2r2
                      C l

Für die Fläche gilt:

          (     )
      2       1  2peB-
Sl = pkl = l+ 2    h    oc  B

Die Quantisierung wird geändert von kx, ky '--> kl2.

PIC

Betrachten wir eine dreidimensionale Veranschaulichung mit kz:

PIC

Die LANDAU-Röhren sind besetzt bis EF. An dieser Stelle wollen wir den DE HAAS-VAN ALPHEN-Effekt:

PIC




PIC PIC
So, daß alle LANDAUniveaus voll oder leer Etwas größer als B1



Innere Energie U0 U1 = U0 (selten) U2 > U0 („Normalfall“)



Der seltene Fall U1 = U0 passiert immer, wenn EF(B = 0) = (    )
 l+ 12 hwC  ~~ p . hw.

|-----------|
|    mEF--1 |
-p =--he-B--|

Mit U verknüpft ist die spezifische Wärme und die elektrische Leitfähigkeit. (SHUBNIKOV-DE-HAAS-Oszillationen) Die Magnetisierung ist gegeben durch:

M = - @U-
      @B

DE-HAAS-VAN-ALPHEN-Effekt

PIC